西门子过程自动化系统在水泥行业中的应用

随着水泥生产大型化、使用设备先进性的提高以及水泥工业劣质原料和工业废渣的综合利用，水泥工厂自动化水平的提高已受到越来越高的重视。与传统的模拟仪表及继电器控制相比，分布式控制系统以其集中操作管理、分散检测控制的结构特点和功能完善、使用方便可靠等优点，在水泥行业获得了广泛应用。
　　武汉亚东水泥股份有限公司5000t /d水泥熟料生产线投产后，为用户带来了较好的经济效益。该生产线生产工艺为了满足大型化、自动化、高效率、低能耗、低污染等要求，整条生产线的自动化水平必须非常高。经过长期的认真比较研究，该生产线控制系统采用了西门子公司PCS7系统及CEMAT系统软件、总线仪表等当前国际先进的控制技术，并针对大型水泥工厂生产工艺要求编制相应软件，使控制系统的使用及维护更加方便可靠。
1 PCS7系统特点
　　PCS7集成了系统所需的标准硬件和编程所需的标准软件，其控制器采用西门子公司的S740+ET200M部件，使其模块化的结构特点和丰富的通讯功能得到充分发挥； 系统软件为Simatic Manager， 它是PCS7的核心应用程序， 集成了STEP7、WinCC、CFC、SFC等编辑器，使上下位机的数据连接工作方便地进行。
　　PCS7系统软件采用SIMATIC程序管理器，可对项目进行管理、处理、归档和建立文件。对于一个项目管理，可有工厂视图、组件视图、过程对象视图三个不同的视图，同时进行管理。其中，组件视图主要管理系统的硬件，如控制器、系统总线、I/O系统等；工厂视图主要管理工艺过程，它将整个工厂按工艺过程的要求，分为各个子系统，然后将各个系统映射到控制器上；过程对象视图用于对所有控制对象的参数进行管理。
　　在SIMATIC程序管理器下，还可以使用多种组态工具，无论采用何种组态工具，生成的组态数据都自动存到一个同一的数据库中。组态工具有：CFC、SFC、STEP7、SCL和WinCC等。CFC是一种简洁的图形组态工具，主要用于连续过程的自动化控制任务的组态，为系统主要编程工具。CFC组态以功能块为基础的，系统配置了很多预编程的功能块。这些功能块以库的形式体现。每个功能块都有一个参数表，可根据实际工艺要求选择不同的参数。每个CFC由多个分区构成。每个分区由6页组成。功能块之间的连接可以在相同或不同的CFC之间的相同或不同的分区的页面上进行，连接标记由系统自动标出。因此，采用CFC可以完成很复杂的大型控制任务。此外，CFC还具有图中图功能，即将同类的控制功能组态成样板CFC图，以后组态时可以多次在其它CFC图中插入样板CFC图，直接对样板图进行连接，这样可以节省大量的组态时间。
　　水泥行业的基础自动化控制除了常规的电机控制、仪表信号监控外，还具有一些特殊要求。如设备的成组控制（包括组启动、组暂停、组停止），两路阀的控制等，不同方式对同一控制设备有不同的启停要求。CEMAT软件包是西门子公司专门为水泥行业开发的水泥控制系统，是一个集成化的标准软件，具有专用于水泥工厂的特征模块数据库，对各种电动机、调节阀、电磁阀、测量信号及硬件诊断等都有自己独特的解决方案。同时其显示方式简洁，不需附加另外的专家系统就可完成组态和参数设置。该软件包集成于PCS7系统，在PCS7集成的功能上增加了针对水泥工程的工程操作、故障诊断及联锁等功能块，是具有独特的、开放式的接口及经济的解决方案。CEMAT软件包特点如下：
方便的水泥厂故障诊断功能
方便的软件联锁功能
灵活便利的操作方式
减少故障时间
针对水泥行业的特殊指令
与传统的DCS系统模块相比，CEMAT系统的组态直接面向水泥工艺过程，其功能块使用灵活、编程调试方便、功能块间通过点击自动连线，避免了许多中间变量的产生，节约了大量的系统资源。
2 系统结构
2.1 系统软硬件配置
2.1.1 硬件组成
系统硬件由信息可交换的中央控制室、高可靠大容量冗余的现场控制站、PROFIBUS 过程现场总线技术的分散型I/ O等子系统组成。操作员站及工程师站均配有支持工业以太网的CP1613智能网卡，以分担主机CPU 的负荷，控制站采用了功能强大的冗余CPU 417 - H，控制站与操作员站及工程师站之间配备了电气交换机ESM，使工业以太网通讯速率达到100mps，并实现环网架构，控制站与现场I/ O 之间采用了冗余现场总线PROFIBUS，I/ O模块支持带电热插拔。
2.1.2 软件构成
控制站用PCS7 TOOL SET 进行编程和组态，PCS7 TOOL SET由STEP 7 （逻辑控制） 、SFC（顺序控制功能图） 、CFC（连续控制功能图） 、SCL （结构化编程语言） 等控制算法组成。在控制站和操作员站上，监控软件采用西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司共同开发的居于世界领先地位的视窗控制中心软件WinCC（Windows Control Conter） ，上下位机使用高度统一的关系型数据库SQL2000。2.2　系统网络通讯架构
　　整个系统分为下层控制网络和上层管理网络两部分。下层控制网采用同轴屏敝电缆,通过每个ET200M上的IM153 - 2通讯卡与AS417 - H控制器互相连接，满足现场信号的采集、处理和控制器通讯需要，为Profibus - DP现场通讯网。上层管理网络又分为两类：一类为采用同轴电缆，通过OS 站、ES站控制器上的通讯模块CP443 - 3 相连接，满足操作员站、工程师站对现场设备的监视、控制和管理的需要，实现数据共享。另一类为采用同轴细缆，通过ESM电气交换机，构成环形光缆管理网以实现站与站之间的通讯，主要满足工程师站和操作员站之间的文件管理、拷贝等功能的需要。环形网的优点是实现网络冗余，无论网上的任意一点断开都不会影响网上任何设备的正常工作。
　　其中现场控制站由六个站组成（其中包括两个远程控制站），石灰石破碎控制站、原料控制站、烧成窑尾控制站、煤粉制备远程控制站、烧成窑头控制站和熟料储存远程控制站。现场控制站通过中央处理单元及I/O模块完成生产过程中各过程参数的采集、调节以及设备的起停控制。控制站分布在各电气室，以缩短与电气柜、现场一次检测元件及执行机构的距离。
中央控制室配置一台工程师站（ES）、四台操作员站（OS）。四台操作员站均可对从石灰石破碎至熟料散装的工艺生产过程进行操作和控制。操作员可以在监视器上观察生产过程中各个部分的流程、各测点的动态参数、设备的运行状态、重要参数趋势图、历史数据和报警等画面，监视和控制生产过程，从而实现对工艺过程的管理、监视和控制。工程师站除具有操作员站的所有功能外，还可以对全系统进行组态和维护，完成操作员站和现场控制站的编程，修改和调试工作。
3 控制策略
3.1 控制回路
　　对5000 t/d的水泥熟料生产线，我们确定了比以往生产线具有更高的自动化水平的控制方案。在从石灰石破碎至熟料散装的整条生产线中，除了采用顺序逻辑控制控制电机的起动停止，系统还使用了原料配料控制、立磨出口温度控制、立磨进出口压差控制、增湿塔出口温度控制、均化库底充气及生料小仓仓重控制、生料入窑流量控制、分解炉出口温度控制、粉煤灰喂料控制、篦冷机卸灰控制、篦冷机废气温度控制等控制回路，针对不同的生产工况，自动调整参数，对生产线各部分实施最优化控制，使系统的操作更加稳定可靠，达到控制系统高效、节能、环保的要求。
3.2 专家诊断功能
　　根据系统设备间的联锁关系和步序关系，系统内设备划分为若干个组，各组内设备根据其联锁及步序关系顺序起停，并受保护条件的制约。各组及各设备的起动、运行都受起动条件、联锁条件和运行条件的保护。当组或设备起动失败或跳停时，操作员站中会有事件记录，并可在组或设备的操作窗口中查询起动失败或跳停的原因，帮助维护人员尽快发现问题，处理故障并恢复生产。
3.3 工业电视系统
　　系统中设置了大量的工业电视：石灰石破碎板喂机、石灰石堆料、石灰石取料、原料入磨皮带、窑头看火、篦冷机落料、原煤入磨皮带秤等。工业电视的监视器都放在中央控制室，使操作员在起停设备、调节参数的同时，能直观地了解现场设备的运转情况，大大提高了效率。
4 结束语
　　水泥熟料生产线投产至今完全达到了设计要求，控制系统以其优越的性能得到了用户的认可。实践证明，控制系统作为整条生产线的大脑，始终运行良好，在生产中充分发挥了其应有的控制、指挥作用。由于CEMAT软件未汉化，对中文系统不是完全兼容，在一定程度上阻碍了该控制软件优越性的充分发挥。